层状钴氧化物薄膜光诱导的横向热电效应研究

Transverse thermoelectric effect is an unconventional thermoelectric phenomenon in which temperature differences and electric voltage are perpendicular to each other and it only can be observed in tilted structures. In this research project, we plan to fabricate c-axis tilted layered cobalt oxide thin films by using pulsed laser deposition technique and investigate 1) the effect of the light absorption layer on the light-induced transverse thermoelectric (LITT) effect in the tilted films; 2) the effect of doping, oxygen vacancy, stress and nanocomposite on the LITT effect in the tilted films. We hope to optimize the light absorption and electrical as well as thermal transport parameters of the films by tuning its structures and microstructures of the films, which will lead to an enhancement in the optical-thermal-electric conversion efficiency. These studies can provide guidance to develop a new generation high sensitive wide-band light detectors based on the LITT effect. Moreover, studies on transverse thermoelectric effect can extend the application scope of the thermoelectric materials and also will help to deep understand the physical mechanisms of the conventional thermoelectric effect.

横向热电效应是一种温差和电压方向相互垂直的热电效应，这种特殊的热电效应通常只能在倾斜生长的结构中观测的到。本项目拟利用脉冲激光沉积技术在单晶基片上外延生长c轴倾斜的层状钴氧化物薄膜，研究1）光吸收层对薄膜光诱导的横向热电效应（简称LITT效应）的影响；2）掺杂、氧空位、应力、金属纳米复合对薄膜LITT效应的影响。其目标是通过薄膜结构及微结构调控来优化薄膜对光辐射的吸收及薄膜的电、热输运参量，提高LITT效应中的光-热-电转换效率，为研制新一代基于LITT效应设计的高灵敏宽波段光探测器提供重要指导。此外，有关热电材料横向热电效应的研究不仅可以拓展热电材料原有的应用范围，还将有助于深入理解其常规热电效应的微观物理机制。

横向热电效应是一种温差和电压相互垂直的热电效应。这种特殊的热电效应源于材料塞贝克系数的各向异性，通常只能在 c轴倾斜生长的样品中观测的到。近年来，由光辐射提供热源的横向热电效应（又称作光诱导的横向热电效应，以下简称LITT效应）由于在非制冷宽波段光探测器中具有巨大应用前景而备受关注。.自LITT效应发现至今20多年的时间里，几乎所有关于LITT效应的研究都集中在样品几何结构参数（如样品c轴倾斜角度、厚度等）和辐射光参数（功率或能量密度、波长等）对该效应的影响上，而极少涉及材料的电、热输运参量的影响，这在一定程度上阻碍了LITT效应的发展。本项目以新型层状钴氧化物和硒氧化物为研究对象，利用脉冲激光沉积技术在单晶基片上外延生长了高质量的c轴倾斜薄膜样品，详细研究了：1）碳纳米管、黑金等光吸收层对层状钴氧化物和硒氧化物薄膜LITT效应的影响规律与物理机制。通过引入合适的光吸收层提高了LITT效应光-热转换效率，增大了其输出电压灵敏度；2）元素掺杂、空位（氧空位、铋空位和铜空位）、金属纳米复合等对层状钴氧化物和硒氧化物薄膜LITT效应的影响规律与物理机制。通过调控薄膜的微结构优化了薄膜对入射光的吸收及薄膜电、热输运性能，提高了LITT效应光-热和热-电转换效率，获得了高的输出电压。如我们用0.5mJ/mm2的紫外脉冲光辐照Pb掺杂的铋铜硒氧薄膜，获得的开路电压信号的幅值高达23V，信号的响应度也仅有100ns，远优于目前商用的热释电光探测器（同样光照条件下商用热释电光探测器获得的开路电压信号幅值仅为0.4V，响应度在ms量级）。该项目研究结果为研制新一代基于LITT效应设计的非制冷高灵敏宽波段光探测器提供了重要实验和理论指导，相关结果在Advanced Science、ACS Appl. Mater.&Interfaces、Appl. Phys. Lett.、Opt. Express等学术期刊上发表SCI收录论文30篇，获授权国家发明专利6项。